【正文】 第 2章 沖裁工藝與模具設(shè)計(jì) （時(shí)間： 4次課， 8學(xué)時(shí)） 第 2章 沖裁工藝與模具設(shè)計(jì) ? 教學(xué)目標(biāo)： ? 本章介紹冷沖壓模具設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容，也是最基礎(chǔ)的內(nèi)容。通過(guò)本章的學(xué)習(xí)，將達(dá)到能設(shè)計(jì)中等復(fù)雜程度沖裁模具的水平。為此，應(yīng)了解沖裁變形過(guò)程及沖裁端面的特征；掌握沖裁間隙對(duì)沖裁件精度和模具的影響；掌握確定合理沖裁間隙的方法；掌握排樣方法，學(xué)會(huì)確定條料寬度；掌握沖裁力及壓力中心的計(jì)算。 第 2章 沖裁工藝與模具設(shè)計(jì) ? 教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)： ? 各種模具及其組成零件的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)；沖裁模的設(shè)計(jì)步驟及模具刃口尺寸的計(jì)算。 第 2章 沖裁工藝與模具設(shè)計(jì) ? 案例導(dǎo)入： ? 要大批量沖制如下圖所示的工件 (材料為 08F，材料厚度為2mm，制件精度為 IT14級(jí) )，應(yīng)選擇何種模具？如何提高板料的材料利用率？凸模和凹模的間隙應(yīng)是多少？如何計(jì)算凸模和凹模刃口尺寸和公差？模具主要零件的結(jié)構(gòu)及尺寸如何設(shè)計(jì)？如何選擇標(biāo)準(zhǔn)模架和選用壓力機(jī)？ 第 2章 沖裁工藝與模具設(shè)計(jì) 第 2章 沖裁工藝與模具設(shè)計(jì) ? 沖裁變形過(guò)程分析 ? 沖 裁 間 隙 ? 沖裁模刃口尺寸計(jì)算 ? 沖壓力及壓力中心計(jì)算 ? 沖裁件的工藝性 ? 排 樣 ? 精 密 沖 裁 ? 模 具 設(shè) 計(jì) ? 沖裁模的設(shè)計(jì)步驟 ? 沖裁模設(shè)計(jì)實(shí)訓(xùn) ? 習(xí)題與練習(xí) 沖裁變形過(guò)程分析 ? 沖裁變形過(guò)程 ? 沖裁斷面特征 沖裁變形過(guò)程分析 ? 沖裁是利用模具在壓力機(jī)上使板料沿一定輪廓形狀產(chǎn)生分離的一種沖壓工序。它包括落料、沖孔、切口、切邊、剖切等多種工序。根據(jù)變形機(jī)理的不同，沖裁可分為普通沖裁和精密沖裁兩種。通常所說(shuō)的沖裁是指普通沖裁。 ? 落料和沖孔是兩種最基本的沖裁形式。從板料上沖下所需形狀的零件(或毛料 )叫落料；在工件上沖出所需形狀的孔 (沖去部分為廢料 )叫沖孔。例如沖制一個(gè)如圖 21所示的平板墊圈，沖其外形稱為落料，沖其內(nèi)孔稱為沖孔。落料與沖孔的變形性質(zhì)相同，但在進(jìn)行模具工作部分設(shè)計(jì)時(shí)，是不一樣的。 ? 沖裁的應(yīng)用非常廣泛，它可以直接沖出成品零件，也可為彎曲、拉深、成形等其他工序制備毛料。所以，熟練掌握沖裁工藝和沖裁模的設(shè)計(jì)是非常必要的。 沖裁變形過(guò)程分析 圖 21 平板墊圈 沖裁變形過(guò)程 ? 如圖 22所示是用無(wú)壓邊裝置的模具對(duì)板料進(jìn)行沖裁時(shí)的變形過(guò)程。 ? 如果模具間隙正常，沖裁變形過(guò)程大致可分為如下 3個(gè)階段。 ? 1. 彈性變形階段 ? 見(jiàn)圖 22(a)。在凸模和凹模壓力的作用下，板料產(chǎn)生彈性壓縮、拉伸和彎曲變形，凸模下部略微擠入板料上部，板料的下部則略微擠入凹模洞口。由于未采用壓邊裝置，凹模上的板料則向上翹曲，間隙越大，彎曲和上翹越嚴(yán)重。在這一變形階段中，材料內(nèi)的應(yīng)力未超過(guò)材料的彈性極限，所以當(dāng)凸模卸載后，板料將立即恢復(fù)原狀。 ? 2. 塑性變形階段 ? 見(jiàn)圖 22(b)。當(dāng)凸模繼續(xù)壓入時(shí)，壓力增加，若材料內(nèi)的應(yīng)力達(dá)到屈服強(qiáng)度，便開(kāi)始進(jìn)入塑性變形階段。凸模擠入板料上部，同時(shí)板料下部擠入凹模洞口，形成光亮的塑性剪切面。隨凸模擠入板料深度的增大，塑性變形程度增大，變形區(qū)材料硬化加劇，沖裁變形抗力不斷增大，直到刃口附近側(cè)面的材料由于拉應(yīng)力的作用出現(xiàn)微裂紋時(shí)，塑性變形階段便告終，此時(shí)沖裁變形抗力達(dá)到最大值。由于凸、凹模間存在有間隙，故在這個(gè)階段中板料還伴隨著彎曲和拉伸變形。間隙越大，彎曲和拉伸變形也越大。 ? 3. 斷裂分離階段 ? 見(jiàn)圖 22(c)、 (d)、 (e)。由于在沖裁過(guò)程中板料內(nèi)部各點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)是不同的，內(nèi)裂紋首先在凹模刃口附近的側(cè)面產(chǎn)生，緊接著才在凸模刃口附近的側(cè)面產(chǎn)生。已形成的上下微裂紋隨凸模繼續(xù)壓入沿最大切應(yīng)力方向不斷向材料內(nèi)部擴(kuò)展，當(dāng)上下裂紋重合時(shí)，板料便被剪斷分離。隨后，凸模將分離的材料推入凹模洞口。 ? 由上述分析可知，板料沖裁過(guò)程的變形是很復(fù)雜的，除了剪切變形外，還存在拉伸、彎曲、橫向擠壓等變形。整個(gè)沖裁過(guò)程受凸模和凹模之間的間隙影響很大，沖裁后板料也因翹曲而不平整。 沖裁變形過(guò)程 沖裁斷面特征 沖裁斷面特征 ? 圓角帶 a：由于凸模和凹模之間存在間隙，塑性變形不可能是純剪切，當(dāng)凸模刃口壓入材料時(shí)，刃口附近的材料產(chǎn)生彎曲和伸長(zhǎng)變形，材料被拉入間隙，形成圓角帶。材料的塑性越好、凸模和凹模的間隙越大，圓角帶也越大。 ? 光亮帶 b：該區(qū)域發(fā)生在塑形變形階段，當(dāng)刃口切入材料后，材料受到凸模和凹模剪切應(yīng)力 τ和擠壓應(yīng)力 σ的作用而形成光亮垂直的斷面。通常光亮帶占整個(gè)斷面的 1/2~1/3。 ? 斷裂帶 c：該區(qū)域是在斷裂階段形成，是由刃口附近的微裂紋在拉應(yīng)力作用下不斷擴(kuò)展而形成的撕裂面，使沖裁件斷面粗糙不光滑，且略帶有斜度。 ? 毛刺區(qū) d：毛刺的形成是由于微裂紋產(chǎn)生的位置不是正對(duì)刃口，而是在刃口附近的側(cè)面上，在拉應(yīng)力的作用下，裂紋加長(zhǎng)，材料斷裂而產(chǎn)生毛刺。 沖 裁 間 隙 ? 沖裁間隙對(duì)沖裁件斷面質(zhì)量的影響 ? 沖裁間隙對(duì)沖裁件尺寸精度的影響 ? 沖裁間隙對(duì)沖裁力、卸料力、推料力、頂件力的影響 ? 沖裁間隙對(duì)模具壽命的影響 ? 合理間隙值的確定 沖 裁 間 隙 沖 裁 間 隙 圖 24 沖裁間隙 沖裁間隙對(duì)沖裁件斷面質(zhì)量的影響 ? 如前所述，沖裁件的斷面具有圓角帶、光亮帶、斷裂帶與毛刺區(qū) 4個(gè)特征區(qū)域。在 4個(gè)特征區(qū)中，光亮帶越寬，斷面質(zhì)量越好。但 4個(gè)特征區(qū)域的大小及其在斷面上所占的比例大小并非一成不變，而是隨著材料性能、刃口狀態(tài)、模具間隙等條件的不同而變化。 ? 塑性較差的材料容易斷裂，材料被剪切不久就會(huì)出現(xiàn)裂紋、分離，使斷裂帶增寬，而光亮帶和圓角帶所占的比例較小，毛刺也較小。反之，材料塑性較好，沖裁時(shí)裂紋出現(xiàn)得較晚，材料被剪切的深度較大，光亮帶所占的比例就大，圓角和毛刺也大。 ? 一般來(lái)說(shuō)，模具刃口有一定的圓角將對(duì)材料的擠壓作用增大，使沖裁件斷面光亮帶增大，圓角和毛刺也大。 ? 沖裁間隙對(duì)沖裁件斷面的影響如圖 25所示。 ? 當(dāng)沖裁間隙合適時(shí) (如圖 25(b)所示 )，凸模和凹模刃口附近產(chǎn)生的裂紋將相互重合，沖裁件的斷面呈一定的斜度，但還是比較平直、光滑、毛刺較小，制件的斷面質(zhì)量較好。 ? 當(dāng)間隙過(guò)小時(shí) (如圖 25(a)所示 )，凸模刃口附近產(chǎn)生的裂紋比正常間隙時(shí)向外錯(cuò)開(kāi)一段距離，上、下裂紋延伸后不重合，兩裂紋之間的材料隨著沖裁的進(jìn)行將被第二次剪切，在斷面上產(chǎn)生第二光亮帶，斷面中部出現(xiàn)斷裂夾層，兩頭呈光亮帶，并在端面有擠長(zhǎng)的毛刺。此時(shí)，毛刺雖比正常間隙時(shí)有所增加，但較薄易去除，而且斷面的斜度和圓角較小，故只要中間撕裂不是很深，仍可應(yīng)用。 ? 當(dāng)間隙過(guò)大時(shí) (如圖 25(c)所示 )，凸模刃口附近產(chǎn)生的裂紋比正常間隙時(shí)向里錯(cuò)開(kāi)一段距離，因?yàn)椴牧系膹澢屠煸龃螅瓚?yīng)力增大，材料容易產(chǎn)生裂紋，使塑性變形較早結(jié)束，所以，沖裁斷面光亮帶變窄，斷裂帶和圓角帶增大，而且斷面斜度增大，毛刺又高又厚，難以去除，斷面質(zhì)量下降。 ? 因此，在設(shè)計(jì)和制造模具時(shí)，應(yīng)使沖裁間隙保持在一個(gè)合理的范圍之內(nèi)。另外，在裝配模具時(shí)也必須保證間隙均勻，避免局部出現(xiàn)間隙過(guò)大和過(guò)小的現(xiàn)象。 沖裁間隙對(duì)沖裁件斷面質(zhì)量的影響 沖裁間隙對(duì)沖裁件尺寸精度的影響 ? 沖裁件的尺寸精度，是指沖裁件的實(shí)際尺寸與圖紙上的基本尺寸之差。差值越小，精度越高。這個(gè)差值包括兩方面的偏差，一是沖裁件相對(duì)于凸?；虬寄３叽绲钠?，二是模具本身的制造偏差。 沖裁間隙對(duì)沖裁力、卸料力、推料力、頂件力的影響 ? 隨著間隙的增大，材料在沖裁時(shí)所受的拉應(yīng)力將增大，材料容易斷裂分離，沖裁力有一定程度的降低。但在正常情況下，間隙對(duì)沖裁力的影響并不很大。試驗(yàn)證明，當(dāng)單面間隙介于材料厚度的 5%~20%范圍內(nèi)時(shí)沖裁力的降低不超過(guò) 5%~10%。 ? 間隙對(duì)卸料力、推件力的影響比較顯著。隨間隙增大，卸料力和推件力都將減小。一般當(dāng)單面間隙增大到材料厚度的15%~25%時(shí)，卸料力幾乎降到零。但間隙繼續(xù)增大時(shí)會(huì)引起毛刺增大，又將引起卸料力、頂件力的迅速增大。 沖裁間隙對(duì)模具壽命的影響 ? 沖模失效的形式一般有磨損、崩刃、變形、脹裂和折斷。 ? 沖裁時(shí)，由于材料產(chǎn)生彎曲變形，使沖裁力主要集中在凸模和凹模的刃口部分。如果間隙小，沖裁力及摩擦力都增大，使刃口所受應(yīng)力增大，造成刃口變形和端面磨損加劇，甚至崩刃。而側(cè)向力也隨間隙的減小而增大，使凸、凹模側(cè)面磨損嚴(yán)重。間隙過(guò)小時(shí)的二次剪切產(chǎn)生的金屬碎屑又加劇了刃口側(cè)面磨損。沖裁后卸料與推件時(shí)模具與板料之間的滑動(dòng)摩擦也造成凸、凹模的側(cè)面磨損。小間隙有時(shí)還會(huì)產(chǎn)生凹模脹裂、小凸模折斷的現(xiàn)象。 ? 所以為了減少凸、凹模的磨損，延長(zhǎng)模具使用壽命，在保證沖裁件質(zhì)量的前提下適當(dāng)采用較大的間隙值是十分必要的。若采用小間隙，就必須提高模具的硬度和耐磨性，提高模具的制造精度，沖裁時(shí)采用良好的潤(rùn)滑，以減小磨損。 合理間隙值的確定 ? 由以上分析可見(jiàn)，間隙對(duì)沖裁件質(zhì)量、沖裁力、模具壽命等都有很大的影響。但很難找到一個(gè)固定的間隙值能同時(shí)滿足沖裁件質(zhì)量最佳、沖模壽命最長(zhǎng)，沖裁力最小等各方面的要求。因此，在沖壓實(shí)際生產(chǎn)中，主要根據(jù)沖裁件斷面質(zhì)量、尺寸精度和模具壽命這三個(gè)因素綜合考慮，給間隙規(guī)定一個(gè)范圍值。只要間隙在這個(gè)范圍內(nèi)，就能得到質(zhì)量合格的沖裁件和較長(zhǎng)的模具壽命。這個(gè)間隙范圍就稱為合理間隙，這個(gè)范圍的最小值稱為最小合理間隙 (Zmin)，最大值稱為最大合理間隙 (Zmax)?？紤]到在生產(chǎn)過(guò)程中的磨損使間隙變大，故設(shè)計(jì)與制造新模具時(shí)應(yīng)采用最小合理間隙 Zmin。 ? 確定合理間隙值有理論確定法和經(jīng)驗(yàn)確定法兩種。 ? 1. 理論確定法 ? 2. 經(jīng)驗(yàn)確定法 沖裁模刃口尺寸計(jì)算 ? 凸、凹模刃口尺寸計(jì)算原則 ? 凸、凹模刃口尺寸的計(jì)算 沖裁模刃口尺寸計(jì)算 ? 凸模和凹模的刃口尺寸和公差，直接影響沖裁件的尺寸精度。模具的合理間隙值也靠凸、凹模刃口尺寸及其公差來(lái)保證。所以，正確確定凸、凹模刃口尺寸和公差，是沖裁模設(shè)計(jì)中的一項(xiàng)重要工作。 凸、凹模刃口尺寸計(jì)算原則 ? 由前述可知，由于在沖裁時(shí)凸、凹模之間存在間隙，使沖裁件的斷面帶有錐度。在沖裁件尺寸的測(cè)量和使用中，都是以光面的尺寸為基準(zhǔn)。落料件的光面是因凹模刃口擠切材料產(chǎn)生的，其尺寸大小等于凹模刃口尺寸，而孔的光面是凸模刃口擠切材料產(chǎn)生的，其尺寸大小等于凸模刃口尺寸。在模具的使用過(guò)程中，凸模和凹模的刃口會(huì)產(chǎn)生磨損，凸模越磨越小，凹模越磨越大，結(jié)果使間隙越來(lái)越大。所以，在計(jì)算凸模和凹模的刃口尺寸時(shí)，落料和沖孔應(yīng)區(qū)別對(duì)待，遵循的原則如下。 ? (1) 由于落料件尺寸由凹模尺寸決定，沖孔件孔的尺寸由凸模尺寸決定，故設(shè)計(jì)落料模時(shí)，先確定凹模刃口尺寸，再以凹模為基準(zhǔn)，間隙取在凸模上，即凸模尺寸以凹模尺寸減去沖裁初始間隙來(lái)確定；設(shè)計(jì)沖孔模時(shí)，先確定凸模刃口尺寸，再以凸模為基準(zhǔn)，間隙取在凹模上，即凹模尺寸以凸模尺寸減去沖裁初始間隙來(lái)確定。 ? (2) 考慮到?jīng)_裁中凸、凹模的磨損，設(shè)計(jì)落料模時(shí)，凹模基本尺寸應(yīng)取制件尺寸公差范圍的較小尺寸；設(shè)計(jì)沖孔模時(shí)，凸?；境叽鐒t應(yīng)取工件孔尺寸公差范圍內(nèi)的較大尺寸。這樣，在凸、凹模磨損到一定程度的情況下，仍能沖出合格制件。不論是落料還是沖孔，沖裁間隙都取最小合理間隙值。 ? (3) 確定沖模刃口制造公差時(shí)，應(yīng)考慮制件的公差要求。如果對(duì)刃口尺寸精度要求過(guò)高，會(huì)使模具制造困難，增加成本，延長(zhǎng)生產(chǎn)周期；如果對(duì)刃口尺寸精度要求過(guò)低，則生產(chǎn)出來(lái)的制件可能不合格，會(huì)使模具的壽命降低。一般來(lái)說(shuō)，模具制造精度比制件精度高 3~4級(jí) (見(jiàn)表 21)。對(duì)于形狀簡(jiǎn)單的圓形、方形刃口，其精度可按 IT6~IT7級(jí)制造，或查表 25；對(duì)于形狀復(fù)雜的刃口，其精度可按制件對(duì)應(yīng)公差值的 1/4取值；若制件沒(méi)有標(biāo)注公差，可按 IT14級(jí)處理，沖模則按 IT11級(jí)制造。沖壓件的尺寸公差和沖模刃口尺寸公差都應(yīng)按 “ 入體 ” 原則標(biāo)注為單向公差，即落料件和凸模刃口尺寸上偏差為零，下偏差為負(fù)；沖孔件和凹模刃口尺寸上偏差為正，下偏差為零。若磨損后不變化的尺寸 (如兩孔中心距等 )，應(yīng)按雙向?qū)ΨQ標(biāo)注。 凸、凹模刃口尺寸計(jì)算原則 凸、凹模刃口尺寸的計(jì)算 ? 由于模具的加工方法不同，凸模與凹模刃口尺寸的計(jì)算方法也不同，基本上可分為兩種情況。 加工方法： 凸、凹模刃口尺寸的計(jì)算方法 具有互換性、制造周期短，但 Zmin不易保證，需提高加工精度，增加制造難度。 Zmin易保證，無(wú)互換性、制造周期長(zhǎng)。 1．按凸模與凹模圖樣分別加工法 （ 1）落料 ? ?AxDD A ????? 0ma x ? ? ? ? 0mi nma x0mi nTT ZxDZDD AT ?? ?? ??????（ 2）沖孔 ? ?0mi n Txdd